Операционные системы реального времени

Менеджер прерываний позволяет быстро реагировать на прерывания, обеспечивая возможность "вытеснения" задачи сразу после выхода из процедуры обработки прерывания. Менеджер прерываний также дает программе пользователя возможность подключить процедуру обработки к соответствующему вектору прерывания. Когда поступает запрос прерывания, процессор передает его ядру RTEMS. При обслуживании запросов прерывания RTEMS сохраняет и восстанавливает содержимое всех регистров, сохранение которых не предусмотрено правилами языка С, а затем вызывает пользовательскую процедуру обработки прерывания. Для минимизации времени, в течение которого не обслуживаются запросы прерывания равного или более низкого уровня, процедура обработки должна выполнять лишь минимальный набор необходимых действий. Дальнейшая обработка должна осуществляться программой пользователя. Менеджер прерываний гарантирует правильное распределение процессорного времени между задачами после завершения процедуры обработки прерывания. Системный вызов, сделанный из процедуры обработки прерывания, может перевести в состояние готовности к исполнению задачу с большим приоритетом, чем прерванная задача. Поэтому необходимо произвести отложенную диспетчеризацию после завершения процедуры обработки прерывания. Вызов директив RTEMS из процедуры обработки прерывания не сопровождается диспетчеризацией.

Для правильного распределения процессорного времени между задачами должно выполняться следующее условие: все процедуры обработки прерываний, которые могут быть прерваны процедурами обработки прерываний, вызывающими директивы RTEMS с большим приоритетом, должны использовать менеджер прерываний. Если при обработке прерывания поступает новый запрос на прерывание, его обработка происходит сразу после завершения текущей процедуры обработки. Отложенная диспетчеризация производится только после того, как будут обслужены все запросы. ОСРВ RTEMS поддерживает 256 уровней прерываний, которые транслируются в уровни прерываний процессора.

При выполнении определенных директив RTEMS может возникнуть необходимость отключения обработки прерываний, чтобы обеспечить непрерывное выполнение критических сегментов программы. Перед выполнением этих сегментов система RTEMS отключает все маскируемые прерывания. Максимальное время отключения прерываний различно для разных процессоров и указывается в документации RTEMS для соответствующего процессора. Немаскируемые прерывания не отключаются, поэтому в процедурах их обработки не должны использоваться директивы RTEMS.

Менеджер ввода/вывода. Обеспечивает определенный механизм доступа к драйверам устройств. Если в системе используется этот менеджер, то в конфигурационной таблице должен быть указан адрес таблицы драйверов устройств, которая содержит входные точки каждого драйвера. Драйвер может иметь следующие точки входа: инициализации, открытия, закрытия, чтения, записи, контроля.

Менеджер доступа к памяти. Для работы с памятью служат менеджеры разделов и регионов. Раздел – это область памяти, состоящая из буферов фиксированной длины. Каждый из этих буферов может быть выделен для использования с помощью директив менеджера разделов. Регион – это область памяти переменной длины, кратной размеру страницы для данного региона. Раздел представляет собой список буферов. При запросе на выделение буфера он выделяется из начала списка свободных буферов. Когда буфер освобождается, он помещается в конец этого списка. Регион состоит из блоков памяти различного размера, который кратен размеру страницы для данного региона. При поступлении запроса на выделение блока памяти размер запрошенного блока округляется до целого количества страниц, и при наличии свободного блока соответствующего размера этот блок выделяется. Менеджер доступа к памяти реализует следующий набор функций: создание, удаление, установка значений, освобождение, захват областей регионов/разделов и буферов, содержащихся в них. Для регионов реализуется возможность добавления памяти.

Менеджер таймеров обеспечивает работу с таймерами: создание и удаление таймеров, доступ к таймерам, запуск подпрограмм по событию/сигналу от таймера. Этот менеджер может быть использован для создания сторожевого таймера.

Менеджер часов реального времени используется для информирования пользователя о текущей дате. Обеспечивает также формирование и обработку сигналов об истечении минимальных промежутков времени, которые задаются на этапе конфигурирования системы и равны целому числу микросекунд.

RTEMS не поддерживает динамическую  загрузку приложений и модулей, поэтому сферой ее применения  являются встраиваемые системы, в которых не предполагается частая модификация программного обеспечения. ОСРВ RTEMS обеспечивает достаточно слабую поддержку файловых систем, что ограничивает область ее возможного применения в сфере систем централизованного сбора и хранения данных стандартными высокоуровневыми средствами. На настоящий момент RTEMS поддерживает только файловые системы IMFS и TFTP, что явно недостаточно. Поэтому для создания на базе RTEMS файл-серверов требуется разработка специального протокола. Понимая эту проблему, разработчики RTEMS ведут активную работу по реализации систем поддержки широко используемых файловых систем (в первую очередь сетевых). В RTEMS фактически отсутствуют резидентные средства отладки. Имеются только стандартные функции rtems_panic и printf, которые позволяют выводить отладочную информацию на терминал в процессе работы системы. Следует, однако, отметить, что наличие мощных средств кросс-разработки делает этот недостаток не очень существенным.

2.4. ChorusOS

Операционная система ChorusOS – это масштабируемая встраиваемая ОС, широко применяемая в телекоммуникационной индустрии. В настоящее время этот бренд развивается и распространяется корпорацией Sun Microsystems [CHORUSOS]. Для компоновки и развертывания ОС ChorusOS на конкретных телекоммуникационных платформах Sun Microsystems предлагает использовать среду разработки Sun Embedded Workshop. Корпорация Sun Microsystems представляет ОС ChorusOS как встраиваемую основу для Sun’овской сети, управляемой сервисами (Sun's Service-Driven Network). В сочетании с широким набором сервисов, полной интеграцией ПО и аппаратуры, удобным администрированием и поддержкой Java-технологии, которая посвящена нуждам телекоммуникации, ОС ChorusOS дает возможность эффективно развертывать новые возможности и приложения, поддерживая надежность и функциональность современных сетей.

ОС ChorusOS поддерживает на одной аппаратной платформе широкий набор телекоммуникационных протоколов, унаследованных приложений, приложений режима реального времени и Java-технологии.

ОС ChorusOS моделирует три сорта приложений:

• POSIX-процессы составляют большинство приложений ChorusOS; эти приложения имеют доступ к чисто POSIX API, нескольким POSIX-подобным расширенным API и небольшому числу ограниченных системных вызовов микроядра,
• Акторы ChorusOS – эти приложения выполняются над микроядром и ограничиваются API микроядра, акторы включают драйверы, события подсистем и протокольные стеки,
• Унаследованные приложения ChorusOS поддерживаются для совместимости с приложениями, разработанными для более ранних версий ChorusOS.

Архитектура ОС ChorusOS является многослойной, основанной на компонентах (component-based). Микроядро содержит минимальный набор компонентов, необходимых для функционирования ОС

• kern – реализует интерфейс микроядра и содержит актор KERN, вспомогательную библиотеку и заголовочные файлы,
• менеджер приватных данных (pd) реализует интерфейс между подсистемами микроядра,
• менеджер постоянной памяти (pmm) реализует интерфейс постоянной памяти,
• core executive обеспечивает существенную часть поддержки реального времени.

Компонент диспетчера ядра (core executive) обеспечивает следующую функциональность

• поддержка многочисленных независимых приложений,
• поддержка пользовательских и системных приложений,
• поддержка актора – единицы модуляризации приложений,
• поддержка единицы исполнения – потока,
• операции управления потоками,
• управление Local Access Point (LAP),
• сервисы управления исключительными ситуациями,
• минимальный сервис управления прерываниями.

В core executive отсутствует управление такими сущностями, как синхронизация, планирование, время, память. Политики управления этими понятиями обеспечиваются дополнительными компонентами, которые выбираются пользователем в зависимости от требований аппаратных и программных средств. Core executive всегда присутствует в исполняемом экземпляре ОС ChorusOS, остальные компоненты конфигурируются и добавляются по необходимости. Размер резидентной часть ядра составляет 10Kb.

Понятие “актор” в ChorusOS определяется как единица загрузки для приложения. Оно также служит единицей инкапсуляции для того, чтобы сопоставить все системные ресурсы, используемые приложением, и потоки, выполняющиеся внутри актора. Примерами таких ресурсов являются потоки, регионы памяти и конечные точки взаимодействия.

Необязательные компоненты ОС ChorusOS 5.0 разбиваются в соответствии с функциональностью:

• Управление деятельностью (Actor management) включает поддержку расширения режима пользователя, динамические библиотеки, управление сжатыми файлами;
• Планирование (Scheduling) включает планирование в стиле FIFO (first-in-first-out), разностильное планирование (multi-class scheduling), циклическое планирование (round-robin), планирование в режиме реального времени;
• Управление памятью включает, кроме распределения памяти, поддержки аппаратной защиты и подкачки, еще и статистику микроядра, события системы Solaris, метрики операционной системы;
• Работоспособность (High Availability) включает горячий рестарт, сторожевой таймер (Watchdog timer), черный ящик, дамп системы;
• Синхронизация потоков включает семафоры, наборы флагов событий, мьютексы, монопольные блокировки, обеспечивающие отсутствие инверсии приоритетов;
• Управление временем включает периодические таймеры, потоковый виртуальный таймер, дата и время, датчик реального времени, переменные окружения;
• Взаимодействие потоков включает независимое от местонахождения взаимодействие, поддержку удаленного взаимодействия, механизм взаимодействия через почтовые ящики, синхронизацию между потоками, приватные данные потока, а также такие средства взаимодействия системы POSIX, как семафоры, сокеты, потоки, таймеры, очереди сообщений, объекты разделяемой памяти, сигналы реального времени;
• Инструментальная поддержка включает системную журнализацию, регистрацию ошибок, поддержку профилирования и контрольных точек, мониторинг системы, отладку системы, дамп ядра;
• Поддержка языка C включает командный интерпретатор на целевом компьютере, удаленный shell;
• Поддержка файловой системы включает именованные каналы, NFS-клиент, NFS-сервер, файловые системы MS-DOS, PDE, /proc, UFS, ISO9000;
• Управление вводом/выводом включает поддержку драйверов некоторых устройств;
• Сетевая поддержка включает поддержку некоторых сетевых протоколов.

Выделение управления памятью в отдельный необязательный компонент позволяет легко адаптировать систему к разным аппаратным платформам.

ОС ChorusOS 5.0 лежит в основе операционной среды Solaris и поддерживает следующие целевые платформы:

• UltraSPARC II (CP1500 и CP20x0),
• Intel x86, Pentium,
• Motorola PowerPC 750 и семейство процессоров 74x0 (mpc7xx),
• Motorola PowerQUICC I (mpc8xx) и PowerQUICC II (mpc8260) (микроконтроллеры).

Рис. 3. Архитектура ChorusOS.

2.5. Расширения реального времени  для Windows NT

Windows NT проектировалась и, в основном, используется как универсальная  ОС. Однако на рынке систем  реального времени четко прослеживается  тенденция использовать Windows NT и  ее расширения в специализированных системах. На это существует несколько причин:

• Windows NT проектировалась согласно современным технологиям построения ОС,
• программный интерфейс приложений (API) для Win32 стал де-факто стандартом для программистов,
• графический пользовательский интерфейс (GUI) стал настолько популярным, что другие ОС стараются обеспечить похожий интерфейс,
• доступно большое количество драйверов устройств,
• доступны многие мощные интегрированные среды разработки.

Сама по себе Windows NT не подходит для применения в системах реального времени, поскольку в ней слишком мало приоритетных уровней, отсутствует механизм наследования приоритетов. Для минимизации времени обработки прерываний (ISR) в Windows NT введена концепция отложенного вызова процедуры (DPC – deferred procedure call), приоритет которой выше, чем приоритет пользовательских и системных потоков, в то время как все DPC имеют одинаковый приоритет. Это приводит к тому, что все DPC ставятся в очередь FIFO, и DPC с высокоуровневым прерыванием сможет выполниться только после того, как все другие DPC, стоящие в очереди перед ней, будут выполнены. Такие ситуации ведут к непредсказуемым временам отклика, что несовместимо с требованиями к ОСРВ. Управление памятью в Windows NT основано на механизме виртуальной памяти. Это тянет за собой защиту памяти, трансляцию адресов и подкачку, которая неприемлема в ОСРВ.

2.5.1. RTX для Windows NT

Расширение реального времени RTX (Real Time Extension) для ОС Windows NT (разработано корпорацией VenturСom) позволяет создавать приложения для высокоскоростного управления с детерминированным временем реакции на внешние события [RTX].

RTX глубоко интегрировано в ядро Windows NT и для обеспечения необходимых  функций использует сервис Windows NT и API WIN32. Ядро реального времени (nucleus) интегрировано в ядро NT (kernel). Каждый процесс RTX выполняется как драйвер устройства ядра NT, при этом процессы не защищены друг от друга. Такая реализация приводит к быстрому переключению контекста, но небезопасна с точки зрения конфиденциальности.